Applicazione della filtrazione a flusso tangenziale (TFF) nella purificazione a valle dei vaccini

I metodi di filtrazione convenzionali, come la sedimentazione e la centrifugazione, sono in grado di rimuovere una parte delle impurità dal brodo di fermentazione. Tuttavia, queste tecniche spesso soffrono di un’efficienza di elaborazione limitata, di un elevato rischio di contaminazione e di una ridotta scalabilità. Grazie alla sua efficienza di separazione superiore e alle basse caratteristiche di intasamento della membrana, la filtrazione a flusso tangenziale (TFF) è diventata una tecnologia sempre più importante nell'industria biofarmaceutica.

A differenza della filtrazione-end end, TFF consente al fluido di processo di fluire parallelo alla superficie della membrana, riducendo al minimo l'ostruzione dei pori della membrana e mantenendo un flusso di filtrazione stabile. Nella produzione di vaccini, il TFF rimuove efficacemente i detriti cellulari, le impurità insolubili e i materiali di fermentazione residui dal brodo di coltura, migliorando così significativamente la purezza del prodotto e la resa del processo.

Questo studio indaga l'applicazione della filtrazione a flusso tangenziale durante la purificazione a valle del vaccino, con particolare enfasi sugli effetti dei diversi materiali della membrana e delle dimensioni dei pori sulle prestazioni di filtrazione, sull'incrostazione della membrana e sulla purezza del prodotto finale. I risultati sperimentali dimostrano che il TFF offre vantaggi significativi nella purificazione dei vaccini migliorando l’efficienza di filtrazione, riducendo le incrostazioni della membrana e migliorando la qualità del prodotto. Inoltre, l'ottimizzazione delle dimensioni dei pori della membrana e delle strategie di pulizia è fondamentale per ottenere prestazioni operative a lungo termine.

Progettazione sperimentale

Gli esperimenti di filtrazione sono stati condotti utilizzando membrane di polisulfone (PSF) e polietersulfone (PES) con dimensioni dei pori di 0,1 μm, 0,2 μm e 0,5 μm. Il brodo di fermentazione standard di Escherichia coli è stato selezionato come soluzione di alimentazione modello.

Le condizioni operative sono state mantenute come segue:

Portata di alimentazione: 500 ml/min

Pressione transmembrana (TMP): 0,2 MPa

Tempo di filtrazione: 3 ore

Durante la filtrazione, la velocità di permeazione, la portata e l'imbrattamento della membrana sono stati monitorati a intervalli regolari. Le prestazioni della membrana sono state ripristinate attraverso procedure di pulizia programmate.

I campioni di permeato sono stati raccolti ogni 30 minuti per determinare l'efficienza della permeazione, mentre l'incrostazione della membrana è stata valutata confrontando le prestazioni di permeazione prima e dopo la pulizia della membrana. Una significativa riduzione della permeazione indicava un grave intasamento della membrana.

Ogni 2 ore, la membrana veniva pulita utilizzando una soluzione di acido cloridrico seguita da risciacquo con acqua deionizzata. Il recupero della permeabilità della membrana dopo la pulizia è servito come indicatore principale dell'efficacia della pulizia.

Risultati sperimentali

Effetto del materiale della membrana e della dimensione dei pori

I risultati sperimentali hanno dimostrato che l’aumento della dimensione dei pori della membrana da 0,1 μm a 0,5 μm ha migliorato significativamente le prestazioni di permeazione.

Per la membrana PSF, il tasso di permeazione è aumentato dal 90,5% al ​​95,0%, accompagnato da un aumento della portata di filtrazione. Tuttavia, anche il fouling sulla membrana è diventato più pronunciato, passando dal 3,2% a 0,1 μm al 7,8% a 0,5 μm.

Una tendenza simile è stata osservata per la membrana in PES, con un intasamento della membrana che ha raggiunto l’8,5% quando la dimensione dei pori era di 0,5 μm.

Questi risultati indicano che, sebbene i pori della membrana più grandi migliorino il flusso del permeato e l’efficienza complessiva della filtrazione, accelerano anche l’incrostazione della membrana. Pertanto, le operazioni pratiche del TFF richiedono un equilibrio adeguato tra prestazioni di filtrazione e controllo delle incrostazioni.

 

Effetto della dimensione dei pori della membrana sulle prestazioni di filtrazione

I risultati sperimentali hanno dimostrato che la dimensione dei pori della membrana ha un’influenza significativa sia sull’efficienza di permeazione che sull’incrostazione della membrana.

Sebbene le membrane con una dimensione dei pori più piccola (0.1 μm) mantenevano livelli di incrostazione relativamente bassi, la loro prestazione di permeazione era relativamente limitata. Al contrario, le membrane con una dimensione dei pori maggiore (0.5 μm) hanno ottenuto tassi di permeazione sostanzialmente più elevati ma hanno mostrato un intasamento della membrana notevolmente maggiore.

All'aumentare della dimensione dei pori daDa 0,1 μm a 0,5 μm, il tasso di permeazione delMembrana PSFaumentato daDal 90,5% al ​​95,0%, mentre quello delMembrana in PESè salito daDall'87,3% al 94,1%.

Tuttavia, contemporaneamente è aumentato il fouling della membrana. Per la membrana PSF, il rapporto di incrostazione è aumentato dadal 3,2% al 7,8%, mentre la membrana PES ha mostrato un aumento dadal 5,0% all'8,5%.

Materiale della membrana	Dimensioni dei pori/μm	Portata di filtrazione/%	Flusso permeato/(L/min)	Incrostazione della membrana/%
PSF	0.1	90.5	5.1	3.2
	0.2	93.2	5.6	5.4
	0.5	95	6.2	7.8
PES	0.1	87.3	4.8	5
	0.2	91.4	5.2	6.2
	0.5	94.1	6	8.5

Questi risultati indicano che l’ampliamento della dimensione dei pori della membrana migliora efficacemente la produttività della filtrazione e il flusso del permeato, ma accelera anche l’incrostazione della membrana. Pertanto, la scelta di una dimensione dei pori della membrana adeguata richiede il bilanciamento dell'efficienza di filtrazione con le prestazioni della membrana a lungo termine-e i requisiti di pulizia.

 

 

Prestazioni di pulizia della membrana

Dopo la procedura di pulizia della membrana, le prestazioni di entrambi i materiali della membrana sono migliorate in modo significativo.

Dimensioni dei pori/μm	Portata di filtrazione PSF/%	PSF Incrostazione della membrana/%	Portata di filtrazione PES/%	PES Incrostazione della membrana/%
0.1	90.5	3.2	87.3	5
0.2	93.2	5.4	91.4	6.2
0.5	95	7.8	94.1	8.5

Per ilMembrana PSF, il tasso di permeazione recuperato da88.2%prima della pulizia92.5%dopo la pulizia, mentre il livello di incrostazione della membrana è diminuito da8.0%A3.2%.

Allo stesso modo, ilMembrana in PESmostrato un aumento della permeazione da84.1%A87.3%, con incrostazione della membrana ridotta da9.5%A5.0%.

Dimensioni dei pori/μm	Prima della pulizia, produttività/%	Dopo la pulizia, produttività/%	Prima della pulizia Incrostazione della membrana/%	Dopo la pulizia Incrostazione della membrana/%
PSF	88.2	92.5	8	3.2
PES	84.1	87.3	9.5	5

Questi risultati dimostrano che la pulizia periodica della membrana può ripristinare efficacemente la permeabilità della membrana riducendo sostanzialmente le incrostazioni. Dopo la pulizia, le prestazioni di filtrazione della membrana sono tornate quasi al livello operativo iniziale.

Lo studio conferma inoltre l’eccellente riutilizzabilità delle membrane TFF, consentendo ai produttori di ridurre la frequenza di sostituzione delle membrane, abbassare i costi operativi e migliorare l’economia complessiva del processo.

 

 

Discussione

La filtrazione a flusso tangenziale genera un campo di flusso ad alto- taglio consentendo alla soluzione di alimentazione di muoversi parallelamente alla superficie della membrana. Questo meccanismo a flusso incrociato riduce efficacemente al minimo la deposizione di particelle e il blocco dei pori della membrana, superando il rapido declino del flusso comunemente osservato nella filtrazione convenzionale-senza uscita.

Di conseguenza, TFF mantiene prestazioni di filtrazione stabili per periodi di funzionamento prolungati, prolungando al tempo stesso la durata di servizio della membrana. La tecnologia è particolarmente vantaggiosa per la lavorazione di sospensioni ad alta-densità cellulare-e brodi di fermentazione biologica.

La selezione del materiale della membrana gioca un ruolo cruciale nelle prestazioni complessive del sistema.

I materiali della membrana comunemente usati includono:

• Polisolfone (PSF)– offre eccellenti resistenze meccaniche e stabilità chimica, che lo rendono particolarmente adatto a processi fermentativi complessi.
• Polietersulfone (PES)– fornisce una permeabilità più elevata ma è relativamente più suscettibile all’incrostazione della membrana.
• Politetrafluoroetilene (PTFE)– mostra un'eccezionale resistenza chimica e alla corrosione per ambienti di lavorazione impegnativi.

Le dimensioni tipiche dei pori della membrana variano daDa 0,1 μm a 0,5 μm. Ottimizzando sia la pressione transmembrana (TMP) che la velocità del flusso incrociato, i sistemi TFF possono massimizzare contemporaneamente il recupero del prodotto target mantenendo un'elevata efficienza di filtrazione.

I risultati sperimentali hanno inoltre dimostrato che il regolare controlavaggio combinato con la pulizia chimica ha ripristinato più del90%del flusso di membrana originale, evidenziando i vantaggi significativi del TFF in termini di separazione efficiente, bassa incrostazione e riutilizzabilità della membrana. Queste caratteristiche rendono TFF una tecnologia altamente affidabile per la purificazione del brodo di fermentazione dei vaccini.

 

Conclusione

I risultati sperimentali dimostrano che la dimensione dei pori della membrana ha un impatto diretto sulle prestazioni di permeazione e sull'incrostazione della membrana durante la filtrazione a flusso tangenziale.

Le membrane con una dimensione dei pori più piccola (0,1 μm) hanno ridotto efficacemente l’incrostazione della membrana e hanno mantenuto prestazioni di filtrazione stabili, sebbene i loro tassi di permeazione fossero relativamente più bassi. Al contrario, le membrane con dimensioni dei pori più grandi (0,5 μm) hanno migliorato significativamente l'efficienza di permeazione, ma hanno anche comportato un aumento dell'incrostazione della membrana, evidenziando il compromesso- tra produttività di filtrazione e durata della membrana.

Durante la filtrazione continua, il tasso di permeazione è gradualmente diminuito dal 90,5% all'88,7%. Dopo la pulizia della membrana, la permeabilità è tornata al 92,4%, indicando che la combinazione di controlavaggio e pulizia chimica rimuove efficacemente i contaminanti depositati, ripristina le prestazioni della membrana e prolunga la durata di servizio della membrana.

Ulteriori analisi suggeriscono che l'ottimizzazione degli intervalli di pulizia della membrana e della pressione operativa può migliorare sostanzialmente il flusso di filtrazione mantenendo la qualità del prodotto. Condizioni operative adeguate non solo migliorano l'efficienza della separazione, ma riducono anche il consumo di energia e l'imbrattamento della membrana.

Nel complesso, le prestazioni della filtrazione a flusso tangenziale nelle applicazioni di bioprocesso sono influenzate congiuntamente dalle caratteristiche della membrana e dalle strategie di pulizia. L'ottimizzazione coordinata di questi due fattori è essenziale per migliorare l'affidabilità del sistema, massimizzare l'efficienza del processo e ridurre i costi di produzione.

Questi risultati supportano ulteriormente l’applicazione del TFF come tecnologia di purificazione a valle efficiente e scalabile per la produzione di vaccini e altri processi di produzione biofarmaceutica.